碘钟反应 - zh

碘钟反应一、实验目的1．掌握“碘钟”反应的原理。

学会运用“碘钟”反应设计动力学实验的方法。

2．测定过硫酸根与碘离子的反应速率常数．反应级数和反应活化能.二 、实验原理在水溶液中，过二硫酸铵与碘化钾发生如下反应：22284332S O I SO I ----+=+ (1)为了能够测定一定时间（Δt ）内S 2O 82- 浓度的变化量，在混合过二硫酸铵、碘化钾溶液的同时加入一定体积已知浓度并含有淀粉（指示剂）的Na 2S 2O 3 溶液，在式（1）进行的同时，有下列反应进行：222334623S O I S O I ----+=+ (2)反应（2）进行得非常快，而反应（1）却缓慢得多，故反应（1）生成的I 3 -立即与S 2O 32- 作用生成无色的S 4O 62- 和I − ，因此反应开始一段时间内溶液无颜色变化，但当Na 2S 2O 3耗尽，反应（1）生成的微量碘很快与淀粉作用，而使溶液呈现特征性的蓝色。

由于此时（即Δt ） S 2O 32- 全部耗尽，所以S 2O 82- 的浓度变化相当于全部用于消耗Na 2S 2O 3。

由上可知，控制在每个反应中硫代硫酸钠的物质的量均相同，这样从反应开始到出现蓝色的这段时间可作为反应初速的计量。

由于这一反应能显示自身反应进程，故称为“碘钟”反应。

1、反应级数和速率常数的确定当反应温度和离子强度相同时，(1)式的反应速率方程可写为：222828[][][]m n d S O k S O I dt----= (3)在测定反应级数的方法中，反应初速法能避免反应产物的干扰求的反应物的真实级数。

如果选择一系列初始条件，测得对应于析出碘量为Δ[I 2]的蓝色出现的时间Δt ，则反应的初始速率为：22833[][][]d S O d I I dt dt t---∆-==∆ (4) 根据(2)式的反应计量关系结合硫代硫酸钠的等量假设，可知2323[]2[]I S O t t--∆∆=∆∆ (5) 根据(3)(4)(5)可知，2223282[][][]m n S O k S O I t---∆=∆ (6) 移项，两边取对数可得2282231ln ln ln[]ln[]2[]k m S O n I t S O ---=++∆∆ (7) 因而固定[]I -，以1lnt∆对ln 228[]S O -作图，根据直线的斜率即可求出m ；固定228[]S O -，同理可以求出n 。

然后根据求出的m 和n ，计算出在室温下“碘钟反应”的反应速率常数k 。

2、反应活化能的确定根据Arrhenius 公式（8）假定在实验温度范围内活化能不随温度改变，测得不同温度的速率常数后可按lnk 对1/T 作图，所得直线斜率求的活化能。

溶液中的离子反应与溶液的离子强度有关。

因此实验时需要在溶液中维持一定的电解质浓度保证离子强度不变。

三、主要的实验仪器及试剂1.仪器恒温水浴槽一套；50mL 烧杯两个；玻璃棒一支；秒表一只；专用移液管4支；专用量筒2支2.试剂0.20M 4228()NH S O 溶液；0.20M KI 溶液；0.01M 223Na S O 溶液；0.4%淀粉溶液；0.20M 3KNO 溶液；0.20M 424()NH SO 溶液。

四、实验操作过程4.1反应级数和速率常数的测定按照表1所列数据将每组的4228()NH S O 溶液、424()NH SO 溶液和淀粉溶液放入烧杯A 中混合均匀，KI 溶液、223Na S O 溶液和3KNO 溶液放入B 烧杯中混合均匀。

然后将两份溶液均放入20℃的恒温水浴槽里恒温一段时间，之后将两份溶液混合，同时开始计时，并不断搅拌，当溶液出现蓝色时即停止计时。

反应的时候也在恒温水浴槽里进行。

表1 “碘钟反应”动力学数据测量的溶液配制表4.2反应活化能的测定按照表1中第1组反应的溶液配制方案配制溶液，分别在15℃和25℃下按照4.1中的操作步骤测量溶液出现蓝色所需的时间t ∆并记录，要注意必须先将溶液在相应的水浴槽中恒温一段时间，待溶液温度与恒温槽温度相同后再将溶液进行混合。

五、实验数据的记录和处理以及结果 5.1 [S 2O 82-]和[I -]反应级数的确定RTE A k a -=ln ln表2反应级数和速率常数测定的数据记录根据表中的这些数据我们可以求出“碘钟反应”的反应级数和在室温下该反应的反应速率常数k，下面我们就依次求出这几个反应的动力学参数。

1 lnt∆与ln228[]S O-的关系见表3。

表31ln与228[]S O-的关系数据表根据表3的数据作图，见图1。

图11lnt∆与ln228[]S O-关系图由图1可知m=0.8521 lnt∆与[]I-的关系见表4。

表41ln与[]I-的关系数据表根据表4的数据作图2。

图2.1lnt∆与[]I-的关系图由图2知n=0.9945.2反应速率常数的测定我们根据(6)式可知，知道m，n，这样就可以计算出反应速率常数k的值了。

表5反应速率常数的测定（20.0℃条件下）同理可以计算15℃和25℃时反应速率常数k。

表6 15℃和25℃时反应速率常数k5.3反应活化能的测定计算得1与k的关系如表7所示：作lnk和1/T的关系图图3 lnk和1/T的关系图由（8）式可知Ea=8.314*4880=40.57 KJ/mol5.4 反应结果的表达：a）.反应级数：测得[S2O82-]的反应级数m=0.852，[I-]的反应级数n=0.994，总的反应级数m+n=1.846。

b）.反应速率常数：在20ºC条件下，该反应的速率常数为0.0087L/(mol•s);在15ºC条件下，该反应的速率常数为0.0073L/(mol•s);在25ºC条件下，该反应的速率常数为0.0129L/(mol•s)。

c ）.反应活化能：Ea=40.57KJ/mol ，查得该反应的理论活化能为51.88KJ/mol ，所以该反应测得的活化能的相对误差为21.80%，误差较大。

六、实验讨论6.1 实验误差分析实验得到的活化能常数的偏差较大，有21.80%，可能的原因有：a).试验中用的烧杯、玻璃棒、量筒没有干燥，使真正的浓度并不是理论计算的值，从而造成较大误差；b).恒温水浴槽的温度不是很稳定，而且可能水浴时间不够，造成测得的时间并不是准确在对应温度下的值；c).在两个烧杯的溶液混合的时候，倒出溶液的烧杯的壁上残留的溶液无法参加反应，这样也会使反应液的浓度有所不同。

d).反应过程中人为的搅拌速度、力道、时间不同，会导致反应液的均匀度、反应的碰撞速度不同，从而使使反应条件不同；e).反应开始计时时，是两个人合作的，两个人不能完全协调一致，在终止时，停止计时时存在人得反应时间，这些因素都会对测量时间有所影响；f).在15℃和25℃时均只用了一组，而不是区多组测量然后求平均值，这样会使测得的结果误差比较大，所以最好采用测量多组分别求得反应速率常数，最后求平均值的方法，以减小偶尔误差带来的影响。

g).从实验原理上分析，我们是用一段时间Δt 的平均速率代替瞬时速率，显然只有在Δt 很小的时候，才有，实验中Δt 大概设计在1mim 中左右，应该说Δt 并不是很小，从而使测得的瞬时速率并不是很准确，进而导致求得的k 值也有较大误差，Ea 对应产生一定的误差。

6.2 实验改进意见a).在文献调研过程中，发现很多教学实验中采用的是混合反应器，如图4A 和图4BAB图4 混合反应器实验中，将4228()NH S O 溶液、424()NH SO 溶液和淀粉溶液放入反应器a 池中，将 KI 溶液、223Na S O 溶液和3KNO 溶液放入反应器b 池中，恒温后，用洗耳球将b 池中的溶液迅速压入a 池中，同时开始计时，并来回吸压两次使其混合均匀。

分析用混合反应器的优点有：在混合时，溶液是从底部压进去的，而且比较均匀和迅速，由于压力的作用可以使其较好的混合，来回吸压之后基本混合均匀，从而避免了人为混合搅拌时搅拌速度、力道等的影响。

同时这样混合也避免了容器上较多残留，以及取出烧杯进行混合等弊端。

而且混合反应器的a，b池在一起可以更好地保证反应前在相同的温度下水浴。

b).实验中在测定浓度对反应速度的影响时, 都是使△〔S2O32-〕值相同, 从而测定到不同的Δt值。

当室温为20 C 左右时. 按教材指定的条件测得的△t值一般在1 分钟左右改变。

即△t较大，且波动性也较大，即实验条件偏离式的要求也较大, 结果导致测定的速率常数k 波动较大。

由此，在文献中发现一种改进的方法，为了使实验条件更接近式的要求. 并符合实际测定时的需要(即匀值应尽可能小, 但又必须让学生能够完成操作, 准确测出么△t 值)。

实验采取了改变反应物浓度改变量的方法(改变△〔S2O32-〕值的方法)。

控制△ t, 位. 使其每次测定均大致在3 5 秒左右。

关于此种改进方法，在改变Na2S2O3用量上并不是很好确定，查到资料上的一个表格，即图5所示，可作为参考，其中划横线部分显示的是Na2S2O3用量（当实验中的Na2S2O3用量进行变动之后. 为使休系离子强度保持不变. 同时使溶液体积也保持不变, 则(NH4)2SO4的用量也需作相应的改变。

）图5所查资料中关于试剂用量的改变由文献中显示，该改进取得比较好的效果，不仅是△ t控制在尽量小的范围，是测得的速率更接近瞬时速率，而且避免的在实验过程中许多同学因为△ t大了几个单元(因为蓝色迟迟不出现) 而误以为试剂加错了, 因而边做边相互询问, 带来较大的操作误差。

不过我想该改进方法可以作为参考，具体的Na2S2O3用量改变以符合我们的实验，还需进一步实验的探讨。

七、参考文献[1]“碘钟”反应的动力学应用《物理化学实验》唐林，孟阿兰，刘红天编2008[2]过二硫酸铵与碘化钾反应速度和活化能测定方法微型化的探索天津师大学报1992年[3]“碘钟”反应《物理化学实验》罗澄源等编1991[4]S2O42-与I－反应动力学参数测定实验的改进山东轻工业学院学报刘耘,张久恺 1 9 9 4年1 2 月。